淺析變壓器故障類型分析與其繼電保護設(shè)計研究

李東波

（天津光電惠高電子有限公司，天津 300000）

0 引言

變壓器作為電氣控制系統(tǒng)中必不可少的電氣元件之一，質(zhì)量可靠的變壓器是電氣控制系統(tǒng)與設(shè)備正常運行的關(guān)鍵因素。本文對各種電氣控制系統(tǒng)中變壓器的故障進行歸納總結(jié)，其故障類型大致可以歸類成繞組故障、鐵芯故障、分接開關(guān)故障以及絕緣故障等[1]。

1 變壓器故障類型分析

1.1 變壓器的繞組故障

眾所周知，繞組作為整個變壓器中的核心電氣部件，其主要的功能是將電能進行傳輸與轉(zhuǎn)換，是電氣控制回路電壓輸入與輸出的關(guān)鍵。變壓器的繞組故障通常指發(fā)生在繞組中的某些故障，例如變壓器線圈或者絕緣中的故障，線圈短路、斷路、接線松動、位移或是線圈燒損都可能引起變壓器繞組故障。

變壓器線圈導(dǎo)線表面如果沒有進行光滑處理，在出廠后其表面仍帶有毛刺，當變壓器在電氣控制運行過程中受到磁力作用時，導(dǎo)線上的毛刺損傷絕緣，從而導(dǎo)致線圈匝間發(fā)生短路；再者，如果變壓器工作環(huán)境惡劣，當水分進入線圈絕緣層后，變壓器在其運行過程中也極易發(fā)生線圈匝間短路；此外，線圈接頭點焊質(zhì)量不夠牢靠，會導(dǎo)致線圈引出線與套管導(dǎo)電桿連接不穩(wěn)定，如此一來，變壓器在運行過程中會因為接頭持續(xù)發(fā)熱而引起局部絕緣迅速老化，當絕緣情況惡化到一定程度時，線圈被過大的電流熔斷，繞組發(fā)生斷路[2]。變壓器在正常工作狀態(tài)時一旦發(fā)生較為嚴重的外部短路狀況，在電磁力與機械力的雙重作用下，繞組的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生塑性變形，其形狀會產(chǎn)生不可逆的變化，導(dǎo)致電路傳輸以及散熱狀況惡化，這通常也是變壓器繞組發(fā)生變形的主要原因之一。

1.2 變壓器的鐵芯故障

鐵芯作為變壓器的重要組成部分，其功能主要是與繞組共同承擔電磁能量的傳輸與轉(zhuǎn)換。保障變壓器正常運行，不僅需要確保變壓器繞組質(zhì)量，還需要對其鐵芯質(zhì)量進行嚴格控制。鐵芯的故障一般發(fā)生在電磁回路中，如果變壓器鐵芯的疊片中存在絕緣損壞，在電氣控制系統(tǒng)運行過程中，鐵芯疊片之間會形成較大的循環(huán)電流，循環(huán)電流隨著時間的推移會產(chǎn)生大量的熱量，當散熱持續(xù)惡化時，過多的熱量不僅會對鐵芯與線圈的絕緣構(gòu)成威脅，還會導(dǎo)致變壓器轉(zhuǎn)化功率下降，鐵耗增加。鐵芯的制造過程中，如果沒有對其疊片邊緣進行打磨處理，疊片邊緣會由于制造工藝的問題存有較大的毛刺或者出現(xiàn)細微的折彎現(xiàn)象，這種情況都會導(dǎo)致鐵芯局部變形短路，其產(chǎn)生的渦流會損壞變壓器。

1.3 變壓器的分接開關(guān)故障

雖然分接開關(guān)內(nèi)部機械部分的機械原理較為簡單，但其實現(xiàn)動作的機械傳動結(jié)構(gòu)卻比較復(fù)雜，此外由于電氣控制系統(tǒng)的需要，分解開關(guān)還需要經(jīng)常進行切換操作，也正如此，分接開關(guān)發(fā)生故障的機率也相對較高。一般情況下，引起分接開關(guān)發(fā)生故障的主要原因是其產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)，一旦出現(xiàn)分接開關(guān)接觸不良、開合不到位時便會出現(xiàn)觸頭過熱、斷軸及放電燒損。同時，如果切換開關(guān)觸點出現(xiàn)接觸不良等問題，就會導(dǎo)致絕緣件的機械強度降低，嚴重時會導(dǎo)致切換開關(guān)直接損壞。此外，油室密封情況如果出現(xiàn)問題，會直接導(dǎo)致大、小油兩個箱之間互相連通，進而會間接增加變壓器油箱可燃性氣體含量，最終導(dǎo)致對故障的錯誤判斷。

變壓器的分接開關(guān)故障除了產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)所導(dǎo)致眾多故障外，還有一類常見的故障是絕緣故障。變壓器的絕緣故障與其本身的設(shè)計緊密相關(guān)，如果變壓器采用小油路、薄絕緣設(shè)計，則會導(dǎo)致變壓器的使用壽命縮短，因為在變壓器運行不久后就會因為絕緣故障而無法正常使用。絕緣故障也會因為相間加入了絕緣隔板使電場強度的分布被破壞，從而造成變壓器相間絕緣裕度不足，引起相間短路。另一個導(dǎo)致絕緣板故障的重要因素是變壓器被污染[3]。通常情況下，變壓器對內(nèi)部的清潔度要求是非常高的，因為一旦內(nèi)部受到極少量金屬雜質(zhì)的污染后都會嚴重影響爬電距離，進而導(dǎo)致產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。在絕緣紙、絕緣板等部件的設(shè)計和生產(chǎn)過程中，往往會因為環(huán)境清潔沒有做好，從而導(dǎo)致絕緣紙、絕緣板等器件的表面或內(nèi)部被各種金屬導(dǎo)電介質(zhì)的污染，從而導(dǎo)致變壓器在運行過程中，會出現(xiàn)絕緣紙、絕緣板等器件絕緣失效，產(chǎn)生放電，最終導(dǎo)致變壓器無法正常工作，出現(xiàn)故障。如果長時間過載使用變壓器也會導(dǎo)致絕緣老化，如此導(dǎo)致溫度過高，從而影響變壓器的正常使用。

2 繼電保護設(shè)計與研究

在電氣控制系統(tǒng)運行過程中出故障后，能夠在最短時間、最小范圍內(nèi)進行自動故障的自動切除，或者發(fā)出報警信號即是繼電保護裝置。繼電保護裝置能夠在最快或者最有效的方式自動切除或者報告故障，從而最大程度減少故障對整個電氣控制系統(tǒng)的影響，是電氣控制系統(tǒng)最重要的配置。

2.1 差動保護設(shè)計要點

差動保護設(shè)計是變壓器保護中一種最常見也是最有效的方法之一。差動保護設(shè)計的主要原則是按照正常運行時的環(huán)流接線安裝變壓器兩側(cè)的電流互感器二次側(cè)。在變壓器正常運行情況下，差動繼電器內(nèi)的電流與兩側(cè)電流互感器二次電流非常接近，兩者之間的差值幾乎等于零，這種情況下，變壓器處于正常運行狀態(tài)，差動保護機制也不會啟動。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展和改革，差動保護設(shè)計的功能也越來越完善，尤其是高性能微型計算機處理芯片引入到差動保護機制的設(shè)計中，從而為進行繼電保護裝置的研究和應(yīng)用帶來了質(zhì)的飛躍?；诟咝阅芪⑿陀嬎銠C處理芯片，目前已經(jīng)研制出了一套包括主保護、后備保護兩套微機保護的裝置，大大提高了差動保護對變壓器的保護，這種保護技術(shù)也得到了業(yè)內(nèi)廣泛的認可和普及應(yīng)用。包括主保護、后備保護兩套微機保護的裝置針對變壓器套管、引出線以及內(nèi)部短路等故障可以實現(xiàn)全面和充分的保護和反映，尤其是針對高壓側(cè)電壓在及以上的變壓器，兩套微機保護的裝置顯得尤為重要，不可或缺。兩套微機保護的裝置在高壓側(cè)電壓在及以上的變壓器故障保護上功能強大。一旦故障發(fā)生后，兩套微機保護的裝置可以實現(xiàn)瞬時動作斷開各側(cè)斷路器的目的，這種瞬時動作斷開也大大降低了故障對整個變壓器的損壞，降低故障的發(fā)生幾率和危害程度[4]。針對雙重差動保護裝置，可以通過如下的方法進行設(shè)計：依次將第一套保護電流回路和第二套保護裝置與原差動保護電流互感器的二次繞組和原后備保護電流互感器的二次繞組相連接，這兩步必須按照依次按照順序進行，由此可以實現(xiàn)在旁代時便無需進行切換操作。將第二套保護與原后備保護電流互感器的二次繞組相連接，雖然保護范圍有所減少，但是可以實現(xiàn)保障旁代時兩套保護全部處于運行狀態(tài)。

2.2 瓦斯保護設(shè)計要點

差動保護在變壓器故障保護方面有著重要的作用，不可或缺，但是也無法對所有的變壓器故障實現(xiàn)保護。如匝間短路、鐵芯局部燒損、絕緣劣化、線圈燒損等，面對這些故障瓦斯保護能夠正常動作的原因是由于瓦斯保護本身也是通過氣體繼電器來實現(xiàn)的。當下較為常見的瓦斯保護主要是分為兩種，一種是輕瓦斯保護，另外一種則是重瓦斯保護。輕瓦斯保護主要依據(jù)氣體的化學成為、含量、顏色以及可燃性等條件來分析保護原因以及故障性質(zhì)進行判斷，有利于電氣調(diào)試人員迅速發(fā)現(xiàn)變壓器故障等問題，并根據(jù)指示對相應(yīng)問題進行處理。重瓦斯保護則是斷路器跳閘。這種模式是對氣體產(chǎn)生的速度進行監(jiān)測，通過對氣體成為及特征進行分析，從而獲得故障原因以及具體的位置，在變壓器發(fā)生嚴重故障時自動切斷電源，以此來保護變壓器不被損壞。

2.3 過載保護的設(shè)計要點

在通常情況下，變壓器的過載保護都是三相對稱的，也正如此保護裝置僅僅需要將一個電流繼電器連接到一相上且針對信號預(yù)設(shè)一定的延時動作即可實現(xiàn)[5]。而對于雙繞組的變壓器而言，過載保護則應(yīng)該放置于主電源單側(cè)電源三相繞組降壓型變壓器內(nèi)，如果繞組的容量相同，則可以將過載保護裝置安裝在電源側(cè)，如果容量不同，則可以在電源側(cè)與繞組容量最小的一側(cè)加裝過載保護裝置。

3 結(jié)語

當下，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的持續(xù)開展，國民生活水平也逐漸提升，人們對于自動化設(shè)備的依賴也愈加強烈，而電氣控制系統(tǒng)作為自動化設(shè)備的核心組成部分之一，其硬件質(zhì)量，特別是變壓器的穩(wěn)定性直接影響自動化設(shè)備的可靠性。然而，由于各種因素的作用，變壓器會出現(xiàn)各種各樣的故障，有的是具體的質(zhì)量問題，也有抽象的理論問題，這都將影響電氣控制系統(tǒng)正常的運行，更將影響自動化設(shè)備的正常使用。與此同時，繼電保護在電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進一步降低了變壓器發(fā)生故障的機率，有效的保證了電氣控制系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，極大地提升了自動化設(shè)備的使用可靠性。